Название Проекта: Проект «Коллапс» и физика нейтрино на больших подземных сцинтилляционных установках Программа Президиума РАН О.Г.Ряжская

АНС «Коллапс» г. Артемовск - ИЯИ Глубина: 570 м.в.э. Масса: 0.1 кТ LVD, Россия-Италия Глубина: 3300 м.в.э. Масса: 1 кт C n H 2n, 1кт Fe OPERA, международный эксп. Глубина: 3300 м.в.э.

По данным работы нейтринных телескопов АНС «Коллапс», LSD и LVD в течение 33 лет получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звезд в Галактике: менее 1 события в 14 лет на 90% уровне достоверности. Получено ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звезд, не сопровождающихся сколько-нибудь заметным потоком электронных антинейтрино: менее 1 события в 4,1 года на 90% уровне достоверности (результаты 9-летней непрерывной работы детектора LVD). 1

На базе детектора LVD начат эксперимент с вводом поваренной соли в состав установки в качестве дополнительной (m NaCl = 544 кг) мишени для детектирования электронных нейтрино и улучшения эффективности регистрации электронных антинейтрино с целью повышения точности разделения типов нейтрино, регистрируемых при гравитационных коллапсах звезд. 2

Detection efficiencies Results (4): Detection efficiencies 1 layer of NaCl3 layers of NaClno NaCl Number of 252 Cf decays Number of triggers in the counter Number of LET-pulses in the range: MeV 37910, , , , , , MeV 48410, , , , , ,305 >4 MeV 7820, , , , , ,037 >6 MeV 3100, , ,043900, , ,018 N small pulses (including background): 55790, , , , , ,341 N small pulses / N Cf decays 1,0051,0280,883

На детекторе LVD впервые измерены сезонные вариации проникающей компоненты космических лучей в период с 2001 по 2008 гг. и нейтронов, генерированных мюонами с 2003 по 2009 гг. Было найдено, что период вариаций мюонов и нейтронов, рожденных ими, составляет один год, максимум интенсивности приходится на июль, что согласуется с экспериментально полученными вариациями температуры в верхних слоях атмосферы вблизи Гран Сассо. Нейтроны Температура Мюоны Подробнее далее 3

В эксперименте OPERA зарегистрировано первое событие- кандидат появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Событие с участием отмечено по характерной топологии распада -лептона, который родился при взаимодействии с ядром свинца. Регистрация первого свидетельствует о наличии нейтринных осцилляций на уровне достоверности в 98%. 4

«Коллапс» 1966 г. – начало работы в соленых шахтах г. Карлолибкнехтовска (Артемовский район Донецкой области)

ARTEOMOVSK Depth - 570±10 m.w.e. 105 t C n H 2n+2 (n=10) H=540cm D=560cm PM number=144 Эфф. регистрации нейтронов 87% e+e+

Энергетический спектр в окне 5–50 МэВ Обработка экспериментальных данных 2010г.

Артёмовск, Украина Глубина 570 м.в.э. 105 т жидкого сцинтиллятора Соляная шахта (неограниченное количество NaCl) Поваренная соль как мишень для нейтрино от Сверхновых Модель вращающегося коллапсара излучение e с E~40 МэВ [1] Imshennik V.S. // Sp. Sci. Rev., V. 23. P.779 Поваренная соль как мишень для нейтрино от Сверхновых. В.В. Бояркин, О.Г.Ряжская, Труды конференции 30 РККЛ 2008, Изв. РАН Сер. Физ. т.73, 5, (2009) с

Е, МэВ

При больших толщинах соли падение эффективности регистрации и быстрый рост массы рост эффективной массы При больших толщинах соли падение эффективности регистрации и быстрый рост массы рост эффективной массы электрон + гамма-квант 7,5 МэВ электрон + гамма-квант 7,5 МэВ различные пороги регистрации различные пороги регистрации Е, МэВ 5>0>3>5>0>3>5 30 0,0690,0270,0220,1040,0410,0330,1990,0790, ,0780,0310,0260,1170,0470,0400,2220,0900, ,0870,0370,0300,1300,0550,0450,2470,1050, ,1020,0450,0380,1520,0670,0580,2850,1260,109 эффективности регистрации для различных толщин соли и порогов регистрации установки

LVD – Детектор Большого 3300 m.w.e. LVD the largest iron-scintillation telescope in the world 3 towers: 840 scintillation counters (1010 tons of scintillator) 1000 tons of iron Study & important results in: neutrino physics astrophysics cosmic ray physics search for rare processes The main goal is to search for ν bursts from collapsing stars LVD is 10 times expanded version of the LSD (Mont Blanc) apparatus which has detected the ν -burst from SN 1987A at 2:52 UT on February, 23, LSD & LVD are Russian-Italian projects. Scintillator & scintillation counters were elaborated and produced in INR, Russia

Подземные детекторы АСД «Коллапс» и LVD предназначены для изучения проникающей компоненты космических лучей. Основными задачами этих экспериментов является поиск нейтринного излучения от коллапсирующих звезд и исследование редких процессов, предсказываемых теорией. Существуют разные предсказания развития гравитационного коллапса.

e+e+ и Sodium Chloride as a target for Supernovae neutrinos V. Boyarkin, O. Ryazhskaya Proc. of 31st ICRC,Lodz 2009

Detector Depth m.w.e Mass, ktons Thre- shold, MeV Efficiency Number of events Back- ground s -1 Arteomovsk ASD Russia C n H 2n Baksan BUST Russia (0.2) C n H 2n (67) 1.4 (2.2) 2.8 (4.3) (0.033) KamLAND USA Japan C n H 2n ~ Gran Sasso LVD Italy, Russia Fe 1. C n H 2n 4 – < 0.1 Kamioka Super-K Japan, USA H 2 O SNO Canada D 2 O e A e C 19* 9** 5*(8) 3**(4) 180* 80** 250* 100 ** 110* 50** 650*

LVD SNO SK BNLserver Alarm to scientific community SuperNova Early Warning System IceCube

Depth–vertical muon intensity relation in Gran Sasso rock. The LVD data are presented together with the best fit (solid curve). Dashed curves show the calculated intensities for the maximal and minimal contributions from neutrino-induced muons (see text for details). Depth–vertical muon intensity Study of single muons with the Large Volume Detector at Gran Sasso Laboratory - LVD Collaboration. Phys. Atom. Nucl. 66, (2003).

k= Curve – L. Volkova Phys. Of Atomic Nuclei (2008), 71, 1782; MINOS – Mufson S.L. and Rebel V.J. for the MINOS Coll., 30 th ICRC, Mexico, 2007; L3+C – The L3 Coll., arhiv: hep- ex/ v1, 2004 OPERA – M.Sioli for the OPERA Coll, in ICRC2009 LVD – LVD result, ICRC2009 The µ + /µ - Ratio ICRC 2009, Lodz, Poland; The muon decay and muon capture detection with LVD - LVD Coll. - In: 29th ICRC, Pune, 6, 69-72, Measurement of the cosmic ray muon charge ratio with the OPERA experiment. OPERA Collaboration, Eur. Phys. J. C (2010) 67: 25–37, arXiv v1

всего мюонных событий всего мюонов одиночных мюонов множественных событий множественных мюонов The Evidence for the Variation of the Mass Composition with Energy in the Region of the Knee by the LVD Experiment. LVD Collaboration, L.G. Dedenko, G.F. Fedorova, O.G. Ryazhskaya, N. V. Khromina, I.S. Krutsik, T. M. Roganova, 28 th ICRC,2003, V. 3/7, Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD Агафонова Н.Ю., Бояркин В.В., Дадыкин В.Л., Добрынина Е.А., Еникеев Р.И., Мальгин А.С., Рясный В.Г., Ряжская О.Г., Шакирьянова И.Р., Якушев В.Ф. и Коллаборация LVD, Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 2010

Распределение комбинаций пар по расстоянию между мюонами в паре для всех групп. Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD Агафонова Н.Ю., Бояркин В.В., Дадыкин В.Л., Добрынина Е.А., Еникеев Р.И., Мальгин А.С., Рясный В.Г., Ряжская О.Г., Шакирьянова И.Р., Якушев В.Ф. и Коллаборация LVD, Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 2010

CNGS beam monitor Display of a CNGS events: typical charged current interaction in the rock upstream LVD, producing a muon that goes through the detector. The colours represent the amount of energy released in the scintillation counters, summed along each projected view; the legenda is expressed in GeV. The black straight line is the result of a linear fit to the hit counters First CNGS events detected by LVD. - LVD Coll. Published in: Eur. Phys. J. C52 (2007)

Число рождённых нейтронов на 1 мюон на 1 г/см 2 в зависимости от глубины грунта, рассчитываемой от границы атмосферы Число рождённых нейтронов на 1 мюон на 1 г/см 2 в зависимости от средней энергии мюонов на глубинах 25 [7, 8], 316 [7, 8], 570 [5], 3650 [10] и 5200 [9] м.в.э.; сплошная линия – расчет [1], пунктир – расчет по программе FLUKA [18]. Число рождённых нейтронов на 1 мюон на 1 г/см 2 в зависимости от глубины грунта, рассчитываемой от границы атмосферы.

Average muon intensity: I µ =( ) (m 2 s) -1 Period: T=(367 15) days The study of the seasonal modulation of the cosmic muon flux during has been completed. An annual modulation with average amplitude 1.5% and maximum intensity in July has been found, in agreement with previous measurements at LNGS. Нейтроны Температура Мюоны Average amplitude: I µ =( ) (m 2 s) %

Существование таких вариаций мюонов на больших глубинах под землей необходимо учитывать при изучении редких процессов, например, таких, как поиск темной материи R. Bernabei et. al., (DAMA Coll.) // arXiv: v1 [astro-ph] The superimposed curves represent the cosinusoidal functions behaviours Acos ω(t t 0 ) with a period T = 1 yr, with a phase t 0 = day (June 2nd). The dashed vertical lines correspond to the maximum of the signal (June 2nd), while the dotted vertical lines correspond to the minimum.

E min ~ 70 GeV Δt = 573 nsec Data from August 2006 to January 2010 All events are going parallel the tunnel. The energy losses should be higher then 5 MeV in each counter and at least in one of them higher then 120MeV.

1). Measurement of the cosmic ray muon charge ratio with the OPERA experiment. OPERA Collaboration, Eur. Phys. J. C (2010) 67: 25–37, arXiv v1 2). Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD Агафонова Н.Ю. и др. (Коллаборация LVD), Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) ). Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD Н.Ю. Агафонова, и др. (Коллаборация LVD), Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) ). Анализ сезонных вариаций потока мюонов космических лучей и нейтронов, генерированных мюонами, в детекторе LVD Агафонова Н.Ю.и др. (Коллаборация LVD), Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) ). Cовременный статус эксперимента OPERA по прямому наблюдению осцилляций нейтрино в канале Н.Ю.Агафонова, А.М.Анохина, М.С.Владимиров, Ю.И.Горнушкин, С.Г.Дмитриевский, Т.А.Джатдоев, Р.И.Еникеев, С.Г.Земскова, А.С.Мальгин, В.А.Матвеев, В.В.Никитина, А.Г.Ольшевский, Г.И.Орлова, Н.Г.Полухина, П.А.Публиченко, Т.М.Роганова, О.Г.Ряжская, В.Г.Рясный, Н.И.Старков, М.М.Чернявский, А.В.Чуканов, В.Ф.Якушев. Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) ). Observation of a first candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam. Agafonova et al. OPERA Collaboration. Phys. Lett. B 691 (2010) 138, arXiv v1 7). Some remarks on Neutrino Detection from SN 1987A. V.L. Dadykin, O.G. Ryazhskaya. Proc. of the Fourteenth Lomonosov Conference on Elementary Particles Physics Particle Physics at the Year of Astronomy, 2010, p ). A. Molinario, C. Vigorito, (LVD Collaboration) Neutrino burst from gravitational stellar collapses with LVD - 22nd ECRS 2010, 3-6 Aug, 2010, Turku, Finland, 9). A. Molinario, Neutrino burst from gravitational stellar collapses with LVD, NEUTRINO 2010, June, Athens, Greece, 10). N.Yu. Agafonova, V.V. Boyarkin, A.S. Malgin - "Светосбор в сцинтилляционном счетчике объемом 1.5 м 3 с квазизеркальным отражением" ПТЭ, 2010, 1, с. 52–57 11). N.Yu. Agafonova, V.V. Boyarkin, A.S. Malgin - "Временные характеристики процесса светосбора в сцинтилляционном счетчике объемом 1.5 м 3 с квазизеркальным отражением" ПТЭ, 2010, No. 6, pp. 29–33. 12).I R Barabanov, L B Bezrukov, C M Cattadori, N A Danilov, A di Vacri, Yu S Krilov, L Ioannucci, E A Yanovich, M Aglietta, A Bonardi, G.Bruno, W Fulgione, E Kemp, A S Malguin, A Porta and M Selvi, "Performance and stability of a 2.4 ton Gd organic liquid scintillator target for antineutrino detection". Journal of instrumentation 2010, 5, P ). M. Aglietta et al. (LVD Collaboration) "The mosct powerful supernova neutrino scintillator detector: LVD", (Il Nuovo Cimento A , ) Thirty years of Gran Sasso, Volume in Onore di Antonio Zichichi., 2010, p ). M. Aglietta et al. (EAS-TOP and LVD Collaboration) "First observation of high-energy cosmic-ray events obtained in coincidence between EAS-TOP and LVD at Gran Sasso", (Il Nuovo Cimento A , ) Thirty years of Gran Sasso, Volume in Onore di Antonio Zichichi., 2010, p. 345

1). Приглашенный Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, «Г.Т. Зацепин и работы его школы» О.Г. Ряжская 2). Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, «Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD» Агафонова Н.Ю. 3). Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, «Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD» В.В. Бояркин 4). Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, «Анализ сезонных вариаций потока мюонов космических лучей и нейтронов, генерированных мюонами, в детекторе LVD». Шакирьянова И.Р. 5).Доклад на Втором рабочем совещании Российско-Итальянского сотрудничества по Космическим лучам и Астрофизики О.Г. Ряжская "Present status of LVD Experiment" 6).1029 Семинар им. Г.Т. Зацепина. Доклад: Бояркин В.В. "Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD" 7).1029 Семинар им. Г.Т. Зацепина. Доклад: Агафонова Н.Ю. "Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD" 8).1029 Семинар им. Г.Т. Зацепина. Доклад: Шакирьянова И.Р. "Анализ сезонных вариаций потока космических мюонов в детекторе LVD за период гг." 9). Научный семинар по программе Школы молодых ученых «Физика нейтрино и астрофизика», ФизФак МГУ, 12 ноября 2010, О.Г. Ряжская 10).Доклад О.Г. Ряжской на Семинаре им. Г.Т. Зацепина 03 декабря 2010 г. "Исследование проникающего излучения под землей с помощью больших сцинтилляционных детекторов" 11).Доклад О.Г. Ряжской на научной сессии «Памяти академика А.Н. Тавхелидзе» 16 декабря 2010 г. "Эксперименты по поиску нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд. Некоторые замечания о регистрации нейтринного излучения от СН 1987А"

1. Поддержание детекторов LVD и «Коллапс» в работоспособном состоянии и непрерывная эксплуатация установок. 2. Исследование отклика детектора на разные типы нейтрино, испускаемые согласно предсказаниям различных моделей гравитационного коллапса. 3. Увеличение статистического материала (на 10%) по поиску нейтринных всплесков от коллапсирующих звезд. В случае отсутствия коллапсов, будет усилено ограничение на частоту гравитационных коллапсов в Галактике и Магеллановых облаках. 4. Участие в проведении ускорительного эксперимента 2011 (дежурства) и обработка данных сеанса 2010 года на детекторе OPERA. 5. Поиск корреляций между мюонными событиями, зарегистрированными установкой LVD и подземными детекторами OPERA и BOREXINO. 6. Определение эффективности регистрации нейтронов в эксперименте LVD с добавлением слоя NaCl между двумя портатанками установки. 7. Получение характеристик нейтронов, генерируемых мюонами в установке LVD при больших зенитных углах (theta > 80).

Основные исполнители ИЯИдолжность Ряжская Ольга Георгиевназав. лаб. Агафонова Наталья Юрьевнан.с. Антоненко Анатолий Григорьевичст. инженер Борщевский Викторст. инженер Дадыкин Владимир Львовичс.н.с. Добрынина Екатерина Анатольевнам.н.с. Еникеев Расим Ибрагимовичн.с. Корчагин Владимир Борисовисвед. инженер Кузнецов Владимир Алексеевичст. инженер Мальгин Алексей Семеновичс.н.с. Мануковский Константин В.н.с. (совместитель) Очкас Олег Валентиновичгл. инженер Покропивный Алексей.В.с.н.с Рясный Всеволод Гавриловичс.н.с. Смородин Николай Дмитриевичэлектромеханик Талочкин Владимир Павловичвед. инженер Чернышов Леонид Васильевичэл.-мех. Шакирьянова Ирина Ромельевнаинженер-исследователь Шаповалов Леонид Николаевичст. инженер Юдин Андрей В.н.с. (совместитель) Якушев Валерий Федоровичн.с. Ярош Александр Павловичст. инженер Ярош Николай Александровичинженер

Вид сбоку Вид сверху Старое расположение установки новое 2007 г. – перенос установки в другое место